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AGV是一種自動導引小車, 已有50多年的歷史。隨著各行各業的發展, AGV的應用領域也不斷的擴大, 主要用在制造業、倉儲業、郵局、化工等需要人工量多、工作任務重復量大等行業中。目前大型的制造型企業中也有了AGV的使用, 但是由于AGV的購買價格、維護成本高等問題, 還沒有得到更為廣泛的推廣與使用。

本文針對大型電商倉儲中配單時人工往返的重復工作問題, 利用AGV來代替人工完成配單任務。為此設計了一種磁導航潛伏式AGV[1,2,3,4,5], 配合人工進行訂單貨物的搬運。在設計之初對AGV的基本框架進行了分析, 從模塊化入手對AGV進行設計, 然后對AGV的運行穩定性進行了研究, 采用雙驅動方式調整AGV的運動位姿[6,7,8,9,10], 分析了AGV的靜力學、動力學[11,12,13], 通過AGV速度為輸入以AGV的運動坐標、運行偏差為輸出, 運用三段調速理念調整AGV的運動狀態[14,15,16]。在實際測試中, AGV能夠實現穩定的運行。

AGV自動運輸系統主要針對電商倉儲中的配單系統進行設計, 為了將配單車與AGV系統進行連接, 分析了電商倉儲中的配單作業需求同時由于AGV需要穿梭于各個配貨車下, 通過與配貨車連接運輸至最后的目的點, 所以選擇潛伏式AGV。AGV的組成一般包括車體結構、驅動單元、控制單元、定位導航單元、電源系統、安全輔助單元, AGV的組成構架如圖1所示。

圖1 AGV組成構架   下載原圖

AGV導引是其運行的關鍵之一, AGV需要通過導航系統確定自身的運行狀況, 實現在各種環境下的自主運動。由于磁道航導引方式的靈活性好、改變和擴充路徑較容易、布線簡單易行;所以在電商倉儲中采用磁道航式的AGV, 其工作方式是通過在規劃的行駛路線貼上導引磁帶, 通過磁感應信號實現導引。

根據實際的電商倉儲調研對AGV整體方案提出如表1所述要求。

表1 AGV設計要求     下載原表

按照表1的設計要求, 設計了磁導航潛伏式AGV, AGV的相關參數如表2所示。

表2 AGV設計參數     下載原表

潛伏式AGV設計完成后, 通過AGV的受力分析保證其運行的穩定, 由于地面沒有絕對的水平, 所以在AGV運動過程中會出現上坡、下坡、以及左右顛簸等情況, 但目前AGV運行速度在10~35 m/min之間, 處于低速運行范圍, 所以在AGV的受力分析前假設下面幾點成立。

1) AGV運行時不會發生抖動現象。

2) 忽略空氣阻力。

3) 當AGV承受載荷發生變化時, AGV的每個車輪不會發生形變且車輪與車體銜接點位置不變。

4) AGV運行路面平穩, 每個輪子運行底面在同一水平面且運動輪與運行面處于點接觸。

圖2為AGV三維受力分析。

圖2 AGV三維受力分析   下載原圖

圖3為AGV二維偏轉分析。

圖3 AGV二維偏轉分析   下載原圖

圖3所示AGV為六輪系, 中間兩個為驅動輪用1號輪與2號輪表示, 驅動輪半徑為R, 前后為從動萬向輪分別用3、4、5、6號表示, 半徑為r。規定質心點為AGV的中心點。3、4號輪中心點與AGV質心點之間的距離和5、6號輪中心點與AGV質心點之間的距離相等為La, 3、4號輪中心點之間的距離和5、6號輪中心點之間的距離相等為Lb, 1、2號輪中心點之間的距離為Lc;AGV在某一時刻存在轉向趨勢, 設當前1、2號輪中心點的轉向趨勢半徑為Lr, 3、4號和5、6號輪的中心點轉動半徑為L, 則1、2號車輪的轉向半徑為Lr+Lc/2、Lr-Lc/2, 3、4號車輪的轉向力為FM3、FM4且FM3=FM4轉向半徑為L+Lb/2、L-Lb/2。規定AGV車體前進方向為正方向。

當AGV處于轉向趨勢狀態時有FY5=0, FY6=0, 則:

由力平衡可知:

設每個輪的所受地面摩擦力相等且受正壓力相同, 則:

由式 (1) 、式 (2) 、式 (3) 可得:

由式 (4) 可知, 驅動輪之間距離和轉向半徑是1、2號輪的轉向力穩定的關鍵, 與3、4號輪以及5、6號輪之間的距離無關。

1) AGV運行整體分析

AGV在運行時是通過中間2個驅動輪驅動帶動前后4個萬向輪使車體整體向預置方向運行。6輪系AGV的運行整體受力情況通過6輪所受各向力來進行分析。設m為AGV的質量, I為轉動慣量, a為當前AGV的加速度, α為AGV前輪轉角。

2) AGV偏轉局部分析

AGV偏轉時, 前面2個輪子是轉向的關鍵, 3、4號輪產生轉向角, 4號輪局部分析如圖4所示。

圖4 4號輪三維受力圖   下載原圖

式 (10) 中:FM4為車輪繞z軸的轉向力, IZ4為車輪繞z軸的轉動慣量。

通過對AGV的整體到局部的力學分析可知, 影響AGV穩定運行的因素很多, 其中為了保證AGV具有穩定的加速度則需要保證AGV具有穩定的驅動力;為了確保AGV具有穩定的轉向力時則需要保證AGV的預置運行軌跡的規范性以及良好性。

第2節中分析了AGV的運行的力學分析, 保證AGV具有穩定的驅動力則需要通過AGV的控制器下對驅動電機進行有效的速度調控。即AGV運行的穩定的關鍵因素最主要的在于AGV的差速控制環節。

磁導航式AGV在運行時雖然預置了相應的運行軌跡, 但由于輪子自身以及地面的摩擦力等因素的存在, AGV在按照預置的運行軌跡時會發生不同程度的偏差。在合理的分析AGV的位姿與預置軌跡之間存在的偏差問題, 假設將AGV看做為點Q, 首先定義AGV的偏差角度為Eθ (即Q點與AGV前進方向與預置軌道之間的夾角) , AGV的偏移距離為Ed (Q點與預置軌道中心線的垂直距離) , 設1、2號輪速度為V1、V2, Q點的位姿矩陣為ξQ=[X (t) , Y (t) , θ (t) ]T, Q點的初始狀態為ξQ=[X0, Y0, θ0]T。Q點在X、Y平面內運行, 則:

由式 (11) 可得Q點的各個時刻的速度, 可由偏角度、線速度以及角速度之間的關系得出:

由式 (12) 可得:

由于AGV在轉彎時1、2號輪所對應的圓心角相等則:

圖5為磁道航AGV的運行偏差, 其中θ為磁道航傳感器與預置路徑中心線之間的夾角, Ed1、Ed2為磁道航傳感器的兩次采樣偏移值, 在Δt時間內, 則:

分析圖5中的AGV運行軌跡, 在預置運行軌跡的下, 運用Q點代替AGV來分析其運動的偏差狀態, Q點的運行狀況可以得出整個AGV的控制策略的優劣。Q點的初始狀態為:ξQ=[X0, Y0, θ0]T, 預置的運行軌跡方程為X軸, 即Y=0, 則有:

結合式 (16) 、式 (17) 得:

圖5 AGV的運行偏差   下載原圖

當Δt→0時:

在AGV的運行中路段信息是連續且穩定的, 所以對式 (22) 、式 (23) 進行拉氏變換得:

則由式 (24) 、式 (25) 可得出AGV的運行控制系統圖。

如圖6為AGV差速運行特性, 表示AGV差速調整中的角度與位置偏差的關系, 當AGV在運行過程中發生距離偏移時, 通過調整AGV兩驅動輪的速度來調節AGV的運行位姿。磁道航AGV是通過磁道航傳感器來識別AGV與磁條的相對位置然后將當前位置轉化為電信號發送控制器來進行AGV位姿的調整, 軟件設計通過三段調速來穩定AGV的正常的運行, 設計流程如圖7所示, 當AGV左偏的偏移量小于預置的小偏移量時, AGV左輪以速度V左1進行微調使得AGV的位姿得到糾正;當AGV左偏的偏移量小于預置的大偏移量時, AGV左輪以速度V左2進行AGV的位姿糾正, 當AGV的偏移量調整到小于預置偏移量時返回微調階段;當AGV左偏的偏移量大于預置的偏差時, AGV左輪以速度V左3快速調節使得AGV的位姿得到糾正。AGV偏右的調節與偏左調節方式相同。

圖6 AGV差速運行特性圖   下載原圖

圖7 三段調速控制   下載原圖

AGV運行測試時通過仿真軟件Matlab/Simulink對AGV運行偏差調整模型進行分析, 以速度為輸入, 偏差調整軌跡為輸出, 假設Q點初始狀態為:

如圖8所示軌跡線1為距離偏差, 軌跡線2為角度偏差。如圖9所示為Q點在短時間內X與Y的位姿調整軌跡, 軌跡線3是Q點的實際運行軌跡, 軌跡線4是Q點的目標運行軌跡。

圖8 偏差走勢   下載原圖

圖9 位姿調整   下載原圖

從圖9仿真圖可以得到, Q點在較短時間內從偏移位置, 自行調整到預置的目標軌跡上。軌跡3是Q點從原來初始位姿與偏差角度調整到目標的軌跡上的全過程。AGV在處于偏離時經過位姿調整能夠得到目標軌跡。實際AGV的運行調試時首先需要預置路線, 設定需要工作的站點, 然后合理的在預置路線上貼好磁帶。測試時選擇一段區域, 在區域中布置與工作現場相符合的路徑形狀, 包括直線、90°轉彎角以及S曲線等, 同時設置兩個站點一個裝貨點和一個卸貨點, 通過這些路段來檢測AGV的運行。AGV首先在裝貨點等待, 當貨物裝完后觸發AGV控制器使其自動按照路徑運行至卸貨站點, 當AGV運行至卸貨站點后停車等待卸貨, 在卸貨完成后觸發AGV控制器使其自動按照路徑運行至裝貨站點, 一個周期運行完成。經過多次周期運行, AGV在短時間內能夠調整偏離軌道, 滿足運行要求。AGV運行過程由直線→S彎道→直線→90°彎道→直線→S彎道→直線→S彎道→直線→90°彎道→直線。如圖10所示為AGV運行在直線路段和S彎道, AGV直線運行時當給定一個側向力使AGV偏離運行軌道時, AGV能夠迅速的進行位姿調整恢復到預置運行軌跡, AGV運行至S彎道時位姿調整穩定且靈敏。經過測試AGV在整個運行過程中啟動、停止迅速, 運行在各個路段平穩, 能夠實現穩定的自主運行。

圖1 0 AGV測試運行圖   下載原圖

為了提高大型電商倉儲中配單效率, 利用AGV來代替人工完成配單任務, 設計了一種磁導航潛伏式AGV。首先對AGV的基本框架進行了分析與研究, 從模塊化入手對AGV進行設計, 然后對AGV運行的穩定性進行了研究, 采用差動方式驅動AGV的位姿調整, 在分析了AGV的靜力學、動力學基礎上以AGV的速度控制為輸入調整AGV的運動位姿, 在實際測試中, 雙驅動式AGV控制能夠有效的保證AGV運行穩定, 為配合電商倉儲中工程應用提供幫助。